物理學思考問題的“四大發(fā)明”

何晉中 晏廷飛

摘? ? 要：思考問題是人們的重要心理活動，對發(fā)現問題、解決問題都有重要作用。思考問題的目的指向是為了更好地解決問題。物理學上分析問題、提出假說、實驗驗證、形成規(guī)律等科學研究方法對人們思考問題有重要啟示，可以將其稱為物理學思考問題的“四大發(fā)明”。

關鍵詞：物理學;思考問題;分析問題;提出假說;實驗驗證;形成規(guī)律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0057-4

物理學的發(fā)展對人類文明的貢獻是巨大的，物理理論的發(fā)展促進科學技術的進步，將人類帶入現代工業(yè)文明和信息化時代，為人類創(chuàng)造豐富的物質文明。比如，沒有物理學家法拉第發(fā)現電磁感應現象，就不可能有發(fā)電機，也就談不上現代工業(yè)文明。更重要的是物理學的研究過程為人類積累豐富的科學研究的方法和思考問題的策略。無論是物理還是其他領域，當遇到各種問題時，首要就是要思考問題，物理上思考問題有其獨特的思維方法，例如構建質點模型時，采用抓住主要因素忽略次要因素的思維方法。物理上思考問題的方法對其他學科領域的研究和生活實際問題的解決有重要的啟示。具體而言，主要有分析問題、提出假說、實驗驗證、形成規(guī)律四種，暫且將其稱為物理學思考問題的“四大發(fā)明”。下面從上述四個方面探討物理學對人類思考問題的啟示。

1? ? 對思考問題的思考

思考是人的重要心理活動，是人發(fā)現問題、解決問題必不可少的重要環(huán)節(jié)。對社會而言，有了思考社會才能不斷進步，人們才能不斷優(yōu)化問題解決的方案，不斷解決遇到的新問題;對個人而言，有了思考人的智慧才能不斷增長，才能為社會貢獻更大的力量，人生才有意義。

1.1? ? 什么是思考問題

按照現代漢語詞典的解釋，問題包含四種含義：“①要求回答或解釋的題目。②須要研究討論并加以解決的矛盾、疑難。③關鍵;重要之點。④事故或麻煩。”[1]而思考是指人對于某一個或多個對象進行分析、綜合、推理、判斷的心理活動過程。“思考是能夠幫助我們闡述或解決問題、做出決定、了解欲望的所有心理活動;思考是探尋答案，獲取意義?！盵2]思考問題可以認為是對題目、矛盾、疑難、關鍵之處、事故或麻煩等進行分析、推理，并給出解決方案，縮減現實情況與期望情形之間的差異的心理活動過程。

1.2? ? 思考問題在解決問題中的地位

在人生的成長歷程中，總要面對各種困惑，總會遇到各種需要解決的問題。只有學會思考，才能在面對不同情形時，分析問題、解決問題，理性做出決策。

發(fā)現問題后，通過思考問題，提出問題解決的具體方案，實現問題解決，然后在反思問題解決的思考過程中往往會發(fā)現新的問題，在這樣的循環(huán)思考中往往會使得問題解決方案得到優(yōu)化?？梢?，思考問題是解決問題過程中的核心關鍵環(huán)節(jié)，起到承前啟后的重要作用，只有透徹地思考問題才能發(fā)現并解決問題。思考問題是發(fā)現問題、解決問題的紐帶，只有思考問題才能解決已經發(fā)現的問題;思考問題是發(fā)現新問題的根本前提，要發(fā)現（新）問題需要對問題進行深入思考，將問題的脈絡理清;在解決問題過程中，又會促進對問題的反思，從而可能導致問題解決者思考問題解決的其他可能方案、合理性等，進而發(fā)現新的有價值的問題。

1.3? ? 思考問題的目的指向是問題解決

思考問題的目的指向是為了解決問題，為了更好地解決問題或者解決更多的問題。解決問題可以分為三個層面：首先是知識層面。當面對一個問題時，如果問題解決者具備與待解決問題相關的豐富的知識，則利用已經具備的知識可以輕松解決問題。相對而言，這類問題解決難度較低。例如，爭論火熱的轉基因食品問題，如果爭論者具備轉基因的相關豐富知識，則無需進行爭論，問題的答案自明。其次是思維層面。當面對的問題相對復雜，而問題解決者知識儲備不夠，或者需要解決的是一些未知的待探索領域時，可以從思維的層面來分析、思考問題，從而達到解決問題的目的。還是以轉基因問題為例，普通大眾也好，新聞媒體從業(yè)人員也罷，顯然不具備足夠的與轉基因相關的知識，但是大眾可以思考：轉基因在美國普及了嗎？美國的公司向我國輸入轉基因食品種子是為了造福我國人民嗎？轉基因公司過去有過什么劣跡嗎？向我國輸入轉基因是純商業(yè)行為嗎？……通過這些問題的思考，自然可以明白我們是否需要接受國外轉基因食品的輸入。再次是價值觀層面。當問題復雜且涉及長遠規(guī)劃和重大戰(zhàn)略決策時，就需要從價值觀的角度去思考問題，對問題的解決做出指引。還是以轉基因食品為例，習近平總書記關于農業(yè)和轉基因的指示就是從價值判斷的角度為我們給出答案。習近平總書記在參加十二屆全國人大四次會議一些代表團審議時就農業(yè)和糧食方面的問題做了重要講話，指出“農業(yè)穩(wěn)則天下安”。關于轉基因習總書記在2013年12月23日中央農村工作會議上的講話時指出：“一是確保安全，二是要自主創(chuàng)新。也就是說，在研究上要大膽，在推廣上要慎重。轉基因農作物產業(yè)化、商業(yè)化推廣，要嚴格按照國家制定的技術規(guī)程規(guī)范進行，穩(wěn)打穩(wěn)扎，確保不出閃失，涉及安全的因素都要考慮到。要大膽創(chuàng)新研究，占領轉基因技術制高點，不能把轉基因農產品市場都讓外國大公司占領了?！边@些講話、指示沒有從專業(yè)知識或思維分析的角度解決問題，而是從價值判斷的高度指明了“把飯碗牢牢端在自己手上”。

2? ? 物理學思考問題的“四大發(fā)明”

物理學的一個顯著特征是高度量化，甚至在一些錯綜復雜的領域里，問題具有多樣性和復雜性，也可以對問題進行分解、分類去處理，并通過實驗驗證、測量、嚴密推理達到極高的精度。同時，也常常從定性或半定量的方法入手，用等效性、對稱性、守恒性等思想方法，抓住問題的本質，把許多看似不同的事物，通過抽象化的方法統(tǒng)一起來，簡化事物的多樣性和復雜性，用極簡的公式（規(guī)律）進行解釋，從而達到探索事物的普遍性、預測事物發(fā)展的未來。例如，從奧斯特發(fā)現“電生磁”的效應后，法拉第重做了奧斯特等實驗，并對這一問題進行分析，發(fā)現以前的實驗分為兩類：一類是電流對磁體的作用，另一類是電流對電流的作用。法拉第根據對稱性的思考，推想出還可能存在磁場對電流的作用，并在日記中明確寫下“磁能轉化成電”的重要假說（1822年）。為了驗證這一假說，法拉第進行了長達10年之久的實驗驗證，終于在1831年8月29日發(fā)現了“磁生電”現象，并于當年11月24日寫出正式報告，正式定名“磁生電”現象為“電磁感應”。物理學上分析問題、提出假說、實驗驗證、形成規(guī)律對其他領域思考問題、最終解決問題有很好的啟示。

2.1? ? 分析問題

物理上遇到具體問題時，首先要分析問題。分析問題主要包括兩個方面，第一是分析問題的價值，該問題是否具有一定的普遍性;第二是該問題與哪些因素有關。如果問題具有價值，就需要進一步找到影響問題解決的主要因素，為后面猜想可能存在的一般規(guī)律、通過實驗總結規(guī)律、用實踐檢驗規(guī)律、完善規(guī)律等環(huán)節(jié)奠定基礎。例如，在力學中分析問題時常采用隔離法。隔離法是指對物理問題中的單個物體或單個過程進行分析、研究的方法。把要分析的物體從相關的物體體系中隔離出來，作為研究對象，將其所處環(huán)境作理想化處理，只分析該研究對象以外的物體對該對象的作用力，不考慮研究對象對其他物體的作用力，從而能夠更好地剔除分析問題時的干擾因素，抓住本質因素，為學生通過實踐掌握“隔離法從整體到局部的思維特點、運用分析問題時的適用情況、運用隔離法時的步驟”等一般性規(guī)律奠定基礎。

物理上分析問題的思維方式對人們思考一般性問題有很好的啟發(fā)。遇到問題，先思考問題的價值，思考問題是否有普遍性，再分析與哪些因素有關。如果問題有價值及普遍性，那么才算是一個真問題，才有花費時間、精力解決的必要性。分析問題與哪些因素有關是為提出假說、實驗驗證假說、形成普遍性規(guī)律奠定基礎，最終為解決更多的普遍性問題提供指導與借鑒。

2.2? ? 提出假說

恩格斯說：“只要自然科學在思維著，它的發(fā)展形式就是假說?！比说囊庾R有主觀能動性，在認識世界的過程中，人們通過思維提出各種假說。由于認識都是建立在假說的基礎上的，可以說自然科學的進步就是不斷提出更好的假說的過程。假說是物理上進行科學研究的一種重要的方法。物理學理論的發(fā)展史可以說就是假說的形成、發(fā)展和假說之間的競爭、更迭的歷史。例如，在研究磁現象時，安培通過分子電流假說將電流產生的磁場和磁體產生的磁場相統(tǒng)一。再比如，關于原子結構模型從湯姆孫的葡萄干布丁模型到盧瑟福的原子核式結構，再到波爾模型的爭論、更迭，科學家們通過假說讓人們的認知逐漸逼近客觀真理。人類對自然界客觀規(guī)律的認知還只是冰山一角，對很多領域還處于無知或者一知半解狀態(tài)。通過假說可以將人們的認識從已知推向未知，進一步將未知變?yōu)橐阎?。不僅是物理學的研究如此，科學假說還可以被借鑒到其他學科的科學研究之中。

假說對科學問題研究起綱領性的引導作用。首先，假說引領實驗的設計和實施。利用科學假說，研究者（問題解決者）在尋找現象間的因果關系、事物內部結構及其起源和演化的規(guī)律時能更好地按照要求有目的、有計劃地設計和實施系列實驗。其次，假說引導理論的構建。當科學假說能夠被觀察和實驗支持，假說就會發(fā)展成為構建相關科學理論的基礎，就可以實現對科學理論的定義或者補充。利用假說的研究方法，人們對自然界的認識和改造就可以沿著“經驗事實—假說—新經驗事實—新假說—新理論……”路徑不斷深入、發(fā)展。

2.3? ? 實驗驗證

實驗是物理學的基礎，更是物理學的魅力所在;實驗是物理學的內容，更是物理學研究的重要方法。物理學上往往需要進行定量或半定量的研究后歸納得出規(guī)律，這就需要進行實驗，在尊重客觀實驗事實的基礎上經過分析、綜合等思維推理過程得出結論——科學規(guī)律。物理學上每個物理規(guī)律的得出都離不開實驗，例如，牛頓第一定律、阿基米德原理等都是通過觀察實驗、分析推理最終得出的科學規(guī)律。實驗驗證也是物理學家思考問題的重要方法。物理學家在進行科學研究時，往往先提出自己的觀點，然后通過設計實驗來驗證自己的觀點。即通過實驗可以對一些理論、觀點進行證實或證偽。例如，前面所述的盧瑟福通過粒子散射實驗中出現大角散射與湯姆孫提出的關于原子結構的葡萄干布丁模型不符的事實，從而否定了該模型。

實驗驗證對人類思考問題的啟示在于處理問題時要有求證的意識，要有實事求是的思想。在遇到問題后，首先提出問題解決方案，然后試點，試點過程中發(fā)現新問題，提出修正方案，再試點，經過不斷試點后完善方案，總結經驗，形成可供借鑒的問題解決策略進行推廣輻射。例如，我們在進行青藏鐵路、港珠澳大橋等重大基礎設施建設過程中遇到一些難題，沒有可供借鑒的經驗時，都采用過提出方案小范圍試點，在實踐中不斷完善，待實驗驗證可行后再正式實施、大范圍推廣的策略。

2.4? ? 形成規(guī)律

物理規(guī)律是物理學大廈的重要支柱，它是某一類物理現象、物理過程的本質進行相互聯(lián)系在人的頭腦中的反映。它是人們對觀察到的物理現象、物理過程進行深入思考，探究其本質聯(lián)系，并總結、升華的結果，用語言文字或數學公式簡潔地表述出來，它是物理上進行科學研究的重要內容，也是物理上對問題進行思考的重要方法。例如，行星運動、潮起潮落、物體下落等自然現象，都能用萬有引力定律解釋。又如，利用歐姆定律，結合串、并聯(lián)電路中電流、電壓的實驗關系，通過數學知識可以抽象出串、并聯(lián)電路總電阻的計算公式。規(guī)律的總結，是為了將具體、形象的經驗進行科學抽象形成一般的可供借鑒的解決問題的知識，其目的是為了解決問題?！爸挥姓莆樟宋锢硪?guī)律，才能遵循這些規(guī)律去分析、處理千變萬化的物理問題?！盵3]物理學上思考問題一定會經歷從個別到一般性的規(guī)律，找到與具體問題相對應的普遍性規(guī)律。面對問題找普遍性規(guī)律是物理上研究問題的重要方法。

形成規(guī)律對人們思考問題的啟示在于，啟發(fā)人們在日常生活中要注意將驗證假說的感性經驗進行升華，上升到理論的高度，形成新假說、新理論，才能更好地被他人借鑒，才有推廣價值。當把經驗升華后，經驗就會成為人們解決實際問題的一般性知識，甚至成為人們認識客觀世界的方法論。例如，當人們在工程技術中遇到困難時，先通過實驗積累經驗，獲得成功后總結經驗，升華經驗為理論并推廣。

3? ? 結束語

歷史上阿基米德判斷皇冠是否為真金與曹沖稱象的情境出奇相似，且他們都是為了解決面臨的實際問題。然而，曹沖稱象只是解決一個問題，而阿基米德在解決實際問題之后將經驗升華成理論，形成了物理學上的浮力定律。曹沖雖然聰慧，但與浮力定理的發(fā)現失之交臂，可以說是“千古遺憾”。他不能將稱象的經驗進一步發(fā)展成為能夠指導解決更多問題的一般性理論，有很多因素，比如曹沖年幼，思維還處在發(fā)展期，不成熟，其稱象的方法也許只是一時靈感。而阿基米德是物理學家、哲學家，具備物理學上思考問題的系統(tǒng)方法和素養(yǎng)，具備物理學上思考問題的策略和遷移能力。曹沖和阿基米德對所面對的問題所追求的目標可能不同，曹沖可能就是“一事一議”，僅立足于解決當下的問題，而阿基米德作為科學家，有探究本質、尋找一般性規(guī)律的欲望。但是，最根本的原因在于，曹沖對科學研究，對物理學研究而言是一個“素人”，不具有物理學上系統(tǒng)的思考問題的素養(yǎng)，也就不具備建立分析問題、提出假說、實驗驗證、形成規(guī)律的思考問題的方法。曹沖稱象是建立在只要船的吃水線一樣，船上物體的重量就一樣，是一個等效替換，只是一個等效思想。他建立了一個等效的假說，沒有證明假說是否正確，缺少實驗驗證，更沒有把問題抽象成一般問題，然后找到普遍規(guī)律。曹沖沒把物理學思考問題的“四大發(fā)明”依次用一次，不能發(fā)現浮力定律，這說明系統(tǒng)掌握思考問題的“四大發(fā)明”很重要。

物理學上科學研究的方法很多，比如觀察法、比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、理想化方法、類比法、數學方法等，這些方法能夠對人們思考問題提供啟示，可以遷移到其他學科的研究和生活中實際問題的解決中，但這些方法是微觀層面的具體方法。本文所述思考問題的“四大發(fā)明”：分析問題、提出假說、實驗驗證、形成規(guī)律，是在問題解決過程中更宏觀的思考問題的方法，每一種方法都對應多種微觀物理方法，更能夠提綱挈領地對人們思考問題提供啟示。將物理上思考問題的思維方法遷移到其他領域的問題解決中，遇到問題時按照“先分析問題，提出理論假設，然后做實驗驗證假設，并推廣到一般”，最終解決問題。物理學的思考研究方法已經成為普遍的思考研究方法，例如，我國進行改革開放設立經濟特區(qū)，進行先行先試，總結經驗并推廣;最近幾年設立的自貿區(qū)，前段時間支持深圳建設中國特色社會主義先行示范區(qū)，以及新一輪高考改革以浙江、上海先行試點后在具備條件的省份逐漸推開，無一不是這樣的思維方式。這些改革措施所反映出的思考問題的思路與物理學上思考問題的方式高度一致，這也足以證明在物理教學中注重思考問題的方法教學是非常重要的。

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（欄目編輯? ? 羅琬華）